DAS REICH DER SONNE UNSERE KOSMISCHE HEIMAT

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1 DAS REICH DER SONNE SOLAR TERRESTRIAL RELATIONS UNSERE KOSMISCHE HEIMAT Berndt Klecker Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland Wochenendseminar Heimatplanet Erde - eine Reise durch das Sonnensystem Wildbad Kreuth 01. Bis 03. Februar 2008

2 ÜBERSICHT Einleitung Unsere kosmische Nachbarschaft Die Aktivität der Sonne Auswirkungen auf die Umgebung der Erde STEREO: Die Sonne in 3D

3 Sonne - Erde - Wechselwirkungen WELTRAUMWETTER Variabilität der Sonne Solarer Wind Flares CMEs Sonnenflecken-Zyklus Lang - periodische Variationen Auswirkungen auf: Atmosphäre Ionosphäre Magnetosphäre

4 DIE RAUMFLOTTE SONNE + INTERPLANETARER RAUM MAGNETOSPHÄRE Yohkoh (1991), Wind (1994), SOHO (1995) ACE (1997), TRACE (1998), Hinode (2006) STEREO [2] (2006) SAMPEX (1992), Polar (1996), FAST (1997), Cluster [4] (2000), Double Star [2] (2004), THEMIS [5] (2007)

5 UNSERE KOSMISCHE NACHBARSCHAFT DIE MILCHSTRASSE Unsere Heimatgalaxie - die Milchstrasse Durchmesser: ~ Lichtjahre Unser großer Nachbar: Andromeda Entfernung: ~2.9 Millionen Lichtjahre N.A. Sharp NOAO/AURA/NSF

6 UNSERE KOSMISCHE HEIMAT DIE HELIOSPHÄRE Die Heliosphäre Radius: ~100 AE ~ 14 Lichtstunden 1 AE: Abstand Erde - Sonne = 150 Millionen km 1 Lichtjahr: AE

7 UNSERE KOSMISCHE HEIMAT DIE INNERE HELIOSPHÄRE Abstand zur Sonne Merkur Venus 0.38 AE 0.72 AE Erde 1.00 AE Mars 1.52 AE 1 AE ~ 500 Lichtsekunden ~ 150 Millionen km

8 DIE SONNE Einige Daten der Sonne SOHO / ESA Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (g/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.3 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6

9 DIE SONNE Einige Daten der Sonne Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (g/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.3 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6

10 DIE SONNE Einige Daten der Sonne Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (g/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.3 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6

11 DIE SONNE Einige Daten der Sonne Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (g/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.37 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K des Zentrums der Sonne: ~ K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6

12 DIE SONNE Die Atmosphäre der Sonne: Korona Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (gm/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.3 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K des Zentrums der Sonne: ~ K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6 1AE

13 DIE SONNE INNERER AUFBAU Die Sonne Masse (kg) Masse (Erde = 1) Radius (km) Radius (Erde = 1) Mittlere Dichte (gm/cm 3 ) Rotationsperiode (Tage) Fluchtgeschw. (km/sec) Luminosität (W) In Erdentfernung: 1.3 kw/m 2 Mittlere Temperatur der Oberfläche: 5800 K Korona: 1-2x10 6 K des Zentrums der Sonne: ~ K Alter (Milliarden Jahre) 4.5 Entfernung der Erde (km) 150x10 6 1AE

14 DIE SONNE Aktivität und Rotation Entdeckung der Sonnenflecken Galileo Galilei (1612) Florenz Christoph Scheiner (1611) Ingolstadt / Donau

15 DIE SONNE PHOTOSPHÄRE - CHROMOSPHÄRE - KORONA Photosphäre Chromosphäre und Korona SOHO / ESA SOHO / ESA

16 DIE RUHIGE SONNE DER SOLARE WIND Der Solare Wind Wechselwirkung mit der Magnetosphäre der Erde ESA / NASA V SW ~ km/s Masse: ~ 2x10 8 kg/s

17 DIE AKTIVE SONNE Flares and Koronale Massenauswürfe TRACE / NASA SOHO / ESA Solarer Flare Energie: ~ Ws Koronaler Massenauswurf Coronal Mass Ejection (CME) ~ km/s, ~ kg, ~ Ws

18 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Flares and Koronale Massenauswürfe Solarer Flare TRACE / NASA Koronaler Massenauswurf Coronal Mass Ejection (CME) SOHO / ESA

19 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Solare Energetische Teilchen (SEP) Flares: Energetische Teilchen werden In einem engen Bereich solarer Länge beobachtet; (relativ) niedrige Intensität, bis zu Energien von ~GeV Zusammensetzung: H, 3 He, 4 He, C, N, O, Ne, Mg, Si, Fe Ionenladung: Hoch (z.b. Fe +20 ; Quelle bei < 1 R S Koronale / Interplanetare Schockwellen: Energetische Teilchen werden In einem weiten Bereich solarer Länge beobachtet; Hohe Intensitäten von SEPs ; Zusammensetzung und Ionenladung wie Solarer Wind

20 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Solare Energetische Teilchen Typisches Beispiel für die Beschleunigung von Teilchen in der Korona und im interplanetaren Raum ACE / NASA

21 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Teilchen Intensitäten im Interplanetaren Raum Daten von ACE / EPAM (p) and ACE / SIS (O)

22 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Korotierende Ereignisse Sonnenwind + energetische Ionen Yohkoh / ISAS Ionen 2007 ACE + STEREO V SW Ulysses / ESA CIRs: Corotating Interaction Regions Korotierende Ereignisse Teilchenbeschleunigung im interplanetaren Raum Kompression der Magnetosphäre Beschleunigung von Elektronen bis zu ~MeV in der Magnetosphäre

23 ENERGIEREICHE STRAHLUNG Solarer und Galaktischer Ursprung Sonnenwind Korotierende Ereignisse Interplanetare Schockwellen Galaktische kosmische Strahlung ACE / NASA

24 SCHUTZSCHILDE DER ERDE Gegen Energiereiche Strahlung Abschirmung gegen galaktische kosmische Strahlung durch den Sonnenwind+Interplanetares Magnetfeld Abschirmung durch das Magnetfeld der Erde und durch die Atmosphäre

25 DIE VARIABILITÄT DES SYSTEMS SONNE-ERDE ZEITSKALEN Kurze Zeitskalen Flares, Solar Wind Variationen, CMEs (Sekunden - Stunden - Tage) Mittlere Zeitskalen Rotation der Sonne (27 Tage) Lange Zeitskalen Solar Zyklus (11y, 22 y) Astronomische Zeitskalen Galaktische Zeitskalen ~ 23 ky, ~41ky, ~100 ky (Milankovic - Zyklen) Bewegung des Sonnensystems gegenüber unserer galaktischen Umgebung: ~ My

26 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Lange Zeitskalen: Sonnenflecken Zyklus Grosse Variation der Solaren Aktivität während eines Solarzyklus: Die Anzahl der Sonnenflecken, Flares, CMEs variiert stark Indirekter Effekt: Modulation der Galaktischen kosmischen Strahlung Sonnenfleckenzahl für

27 DIE VARIABILITÄT DER SONNE Variation von Strahlung und Aktivität Aber: Große Variation der Anzahl von Flares, CMEs, SEPs, CIRs, Die Variation der Strahlung über den Solarzyklus ist klein: ~0.2% Lean & Fröhlich, 1998 Fröhlich & Lean, 2004 Gopalswamy, 2007

28 VARIABILITÄT DES SONNE-ERDE SYSTEMS Zeitskalen der Erdumlaufbahn: Milankovic Zyklen Präzession ~25.8 ky Variation der Neigung der Erdachse ~41 ky MILANKOVIC ZYKLEN Variation der Exzentrizität ε Zur Zeit: ε = ~100 ky, 400 ky

29 VARIABILITÄT DES SONNE-ERDE SYSTEMS Variation der Erdumlaufbahn Variation der Exzentrizität der Erdumlaufbahn: ε ~ a

30 Effekte auf der Erde Lange Zeitskalen Zeitskalen der Erdumlaufbahn (Milankovic Zyklen) Die langen Zeitskalen der Milankovic Zyklen finden sich in Klima - Indikatoren (z.b. CO 2, mittlere Temperatur) Vostok Eiskern, Antarktis

31 DIE INNERE MAGNETOSPÄRE DIE STRAHLUNGSGÜRTEL Entdeckung der Strahlungsgürtel im Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahrs (Explorer 1, Van Allen)

32 DIE MAGNETOSPÄRE UND IHRE WECHSELWIRKUNG MIT DEM SONNENWIND Nahe an der Erde: Das Magnetfeld hat die Form eines Dipols In größerer Entfernung: Wechselwirkung mit dem Sonnenwind

33 DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE Wechselwirkung mit dem Solaren Wind

34 DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE Zugang energetischer Ionen über den Polkappen Polkappe: Geomagnetischer Cutoff P: MeV He: 8-15 MeV Hellblau: ISS Orbit 1. Vor einem magnetischen Sturm R. Leske, Caltech

35 DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE Die Polkappen während eines magnetischen Sturms Polkappe: Geomagnetischer Cutoff P: MeV He: 8-15 MeV Hellblau: ISS Orbit 2. Während eines magnetischen Sturms R. Leske, Caltech

36 Dynamischer Strahlungsgürtel: Relativistische Elektronen, gemessen in einer polaren erdnahen (600 km) Umlaufbahn (SAMPEX).

37 DAS NORDLICHT AURORA Aurora in Nürnberg

38 DAS NORDLICHT AURORA Aurora Alaska Aurora, von oben gesehen Nord- und Südpol POLAR / NASA

39 WELTRAUMWETTER ÜBERSICHT ÜBER AUSWIRKUNGEN

40 Effekte im erdnahen Weltraum Hohe Flüsse energetischer Teilchen (Solare Flares, CMEs, CIRs) keine polaren Flüge mit Soyuz TMA oder Space Shuttle keine Außenbordmanöver auf der ISS Änderung der polaren Flugrouten der Passagierflugzeuge Strahlenschäden in Satelliten Degradation der Solarpanels

41 - und auf der Erde Magnetische Stürme (nach CMEs, Interplanetaren Schocks) X Änderung des Elektronen - Gehalts der Ionosphäre (d.h. Degradation der GPS Genauigkeit, Störungen im Funkverkehr) Ausfall von Transformatoren (z. B. 1989, Stromausfall in Quebec, Kanada) Induzierte Ströme in Pipelines (Korrosion)

42 DIE SONNE IN 3D DIE STEREO MISSION (NASA) STEREO Solar Terrestrial Relations Observatory Stereoskopische Beobachtungen der Sonne und von CMEs mit 2 Observatorien Start: 26 October 2006 KSC / Florida

43 DIE SONNE IN 3D DIE STEREO MISSION (NASA) STEREO Solar Terrestrial Relations Observatory Stereoskopische Beobachtungen der Sonne und von CMEs mit 2 Observatorien Start: 26 October 2006 KSC / Florida

44 DIE STEREO MISSION DIE SONNE IN 2D

45 DIE STEREO MISSION NUN BITTE DIE STEREO BRILLE AUFSETZEN.

46 DIE STEREO MISSION DIE SONNE IN 3D

47 STEREO DIE ERSTEN BILDER IN 3D May 5, 2007

48 STEREO IN 3D NASA/GSFC Scientific Visualization Studio

49 DIE FERNERE ZUKUNFT - ESA / NASA SOLAR ORBITER + SENTINELS SOLAR PROBE Flotte mit 6 Satelliten (4 IHS: AE) Solar Orbiter (ESA) Start: ~ 2015 SENTINES (NASA) Start: ~2017 Flug durch die Korona bei ~3 R S Status: Studienphase (Start:?)

50 WEITERE VERANSTALTUNGEN ZUM THEMA Planetarium Ausstellung Poster + Exponate (Satelliten, Experimente, Modelle, Filme) Ausstellungen in Bochum April - Juni 2007 Mannheim Juli - September 2007 Berlin Oktober - Dezember 2007 Nürnberg 16. Januar - März 2008 Halle Mai - Juli 2008 Cottbus August - Oktober 2008

51 INFORMATIONSMATERIAL ZUM THEMA SONNE - ERDE WECHSELWIRKUNG Internet IHY-International: IHY - Deutschland Interaktive CD Weltraumwetter (d, e, fr) Sterne und Weltraum Unsere Sonne - Motor des Weltraumwetters DVD - Film SOLARMAX

55 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT ENDE